Бортовой компьютер для ВАЗ 2110

Возникла у меня однажды потребность в бортовом компьютере для моей "ласточки" ВАЗ2110. Двигатель там инжекторный и управляет им невероятно умный Электронный Блок Управления (ЭБУ), который может много чего о себе и двигателе рассказать, если его правильно попросить. Во-первых удобно узнавать причину включения индикатора Check Engine на приборной панели (не то чтобы он часто включался, но все же), а во-вторых можно узнавать кучу интересных и полезных параметров двигателя (состояние того же датчика массового расхода воздуха (ДМРВ)). 

Естественно, сначала я посетил авторынок, с мыслью о том, что столь простой девайс просто обязан стоить недорого. Какого же было мое удивление, когда я увидел цены. Даже не знаю, чего туда напихали производители, но цены никак не укладывалась в категорию адекватных. В связи с этим решил сделать девайс самостоятельно. Благо, протокол общения с ЭБУ (Keyword Protocol 2000) крайне простой и на просторах интернета есть его полное описание. Обмен данными идет по принципу запрос-ответ в асинхронном режиме по одному проводу. Зовется это безобразие K-Line. Работает очень просто, шлем некоторый запрос в виде пакета данных, после чего получаем ответ в виде другого пакета. 

Изначально хотел собрать схему на AVR микроконтроллере (далее МК) Atmega16 или Atmega32 и дисплее от какого-нибудь древнего мобильника с разрешением 176х220 или около того. Но потом вспомнил, что в стародавние времена, когда доллар был совсем дешевый, я заказал вот такой дисплей:

Судя по описанию  это цветной TFT дисплей с разрешение 320х240 и диагональю 3.2", управляет им контроллер SSD1289. Кроме этого, на дисплей установлена сенсорная панель, которую обслуживает АЦП, установленный на плате с дисплеем и связывающийся с МК по SPI. Стоило это чудо китайской техники в районе 300р. и имело всего один маленький недостаток - параллельная шина данных для управления контроллером дисплея. А это 21 провод (16 - шина данных и 5 - служебные). Т.е. Atmega32 сюда уже явно не подходит ни по количеству выводов, ни по быстродействию, значит надо что-то мощнее. В итоге остановился на STM32, довольно дешевые и мощные МК. После некоторого времени поисков, я обнаружил, что у STM32 контроллеров есть замечательная штука под названием FSMC (Flexible static memory controller). Это интерфейс для подключения внешней памяти по параллельной шине данных, при этом МК будет с ней работать как со своей внутренней, адресное пространство расширяется во внешнюю память. Т.е. просто указываем адрес и пишем данные. Именно туда можно и даже нужно подключить такой дисплей и в итоге получить аппаратную поддержку работы с дисплеем на высокой скорости. При этом еще и не загружая сам контроллер, все ведь аппаратное.

Выбор пал на STM32F103VCT6. Представляет собой 100-лапую многоножку в LQFP корпусе содержит на борту блок FSMC, ЦАП, целую пачку USART, SPI и т.п., 256 Кб памяти (хоть запрограммируйся), и имеет тактовую частоту ядра 72МГц (без проблем повышаемую до 120 МГц без потери стабильности работы МК). Полное описание можно посмотреть в даташите, который приложен к статье. Далее была продумана структура устройства. Интерфейс сразу решено было делать на основе графических элементов (проще говоря картинок), то потребовалось решить проблему хранения этой самой графики. Т.к. дисплей достаточно большой да еще и на вывод каждого пикселя идет минимум 16 бит информации (режим RGB565), то о хранении графики в памяти МК не может быть и речи. Поэтому было принято решение подключить SD карту и всю мультимедийную информацию хранить на ней. И тут опять на помощь пришел огромный набор периферии STM32 контроллеров. Для SD карты тут имеется специальный интерфейс SDIO, это "родной" интерфейс для карточек памяти SD и MicroSD (правда, об этом я узнал позже, когда наступил на первые грабли).

Итак, функционал получился следующим:

• Получение с ЭБУ таких параметров, как: Напряжение сети, Обороты двигателя, Температура двигателя, Расход топлива (мгновенный, на 100км), Скорость движения, Положение дроссельной заслонки, Напряжение на ДМРВ, Время впрыска, Массовый расход воздуха, Цикловой расход воздуха, Длительность импульса впрыска, Положение регулятора холостого хода. Чтение и сброс ошибок.
• Индикация исправности ламп и уровня охлаждающей жидкости.
• Напоминание о замене фильтров.
• Подсчет пройденного расстояния и потраченного топлива.
• Управление фарами и габаритными огнями.
• Измерение температуры в салоне и за бортом с ведением статистики.
• Показ времени.
• Управление освещением салона.
• Звуковые и световые уведомления.

Также в планах было через реализовать USB диагностический адаптер, как одну из функций, но пока маловато свободного времени и USB на STM32 еще не разобрался.

Конечно, баги еще иногда проскакивают, но большая часть функционала работает нормально, а баги постепенно отлавливаются и исправляются.

Как только определился с железом и функционалом, сделал схему и развел плата. Как оказалось позднее, продумана схема была не очень хорошо (изначально SD карточка подключалась по SPI и ей катастрофически не хватало скорости работы, ну и разные мелкие недоработки). В результате была и вторая и третья версия схемы, но в итоге все получилось, железо работает очень стабильно и на жаре и на холоде. В ходе изготовления и доработок было принято решение разделить устройство на блоки: Основная плата с МК, его обвзязкой и питанием, УНЧ, K-Line адаптер и плата microSD и USB.

Рассмотрим схему каждого из них подробнее. Итак, плата с МК:

Пойдем слева направо, сверху вниз. Разъем с загадочным названием D/S1 предназначен для контроля открытия дверей и включения зажигания. К разъемам SENSORS и USART подключается плата с адаптером K-Line и транзисторными ключами для контроля выхода реле контроля ламп, датчика уровня охлаждающей жидкости и датчика скорости. Далее идет разъем P12, контакт Photo - это фоторезистор для контроля освещенности, второй вывод подключается на GND, SPEED - сигнал датчика скорости с платы адаптера K-Line. На разъем POWER подается питание схемы, а так же снимается напряжение для освещения салона.

В правой части схемы расположены разъемы для подключения периферии. К разъемам P2, P5, P9 и PEN_IRQ подключаются дисплей с подсветкой и АЦП сенсорной панели, micro SD карта, и USB разъем. С DS18b20 вроде все понятно. Разъем SOUND для подключения УНЧ (звуковые уведомления), K-Line_Pow - питание платы с адаптером, AMP_Pow - питание УНЧ (изначально питание УНЧ снималось полностью, но оказалось, снимать и подавать питание на УНЧ не лучшая идея, на включение уходит несколько секунд, в результате был использован УНЧ с функцией STDBY, поэтому сейчас выход MOSFET подключен на вход STDBY УНЧ). Ну и разъем LED для подключения светодиода световых уведомлений.

В схеме K-Line адаптера все стандартно, схема собрана на компараторе и довольно известна на просторах интернета:

Здесь же находится обвязка, необходимая для согласования с датчиками.

С SD картой все так же просто, стандартная обвязка для SDIO:

Изначально УНЧ был собран на TDA2003, но из-за отсутствие функции STDBY от него пришлось отказаться и использовать заказанный семплом у Texas Instruments УНЧ LM4991. Это 3-ватнный УНЧ в SO-8 корпусе и питанием 5В. Схема взята из даташита:

УНЧ включен постоянно, но пока никакие звуки воспроизводить не требуется, он находится в режиме STDBY, в результате чего потребление не превышает 2мкА (типовое по даташиту - 0.1мкА).

Плата под  SD карту разведены в Sprint Layout, т.к. остались еще от одной из первых версий схемы, а под все остальные в AltiumDesigner, т.к. от Sprint Layout я полностью отказался.

В собранном виде все выглядит вот так:

Фото сделано во время отладки девайса, поэтому тут присутствуют старые платы K-Line адаптера и УНЧ. Новые платы были установлены позже, без полного извлечения устройства из панели автомобиля, поэтому таких подробных фото нет. Но общий смысл, думаю, понятен.

Для подключения дисплея был использован IDE шлейф. Его гораздо удобнее паять, чем обычный китайский, т.к. провода в нем одножильные, в следствие чего можно не волноваться, что при пайке отогнется "волосок" и закоротит на соседний провод. Плюс он обладает большей прочностью. Китайские многожильные шлейфы использовать не рекомендую. В крайнем случае МГТФ. Изначально уличный датчик температуры был заказан у китайцев (металлическая гильза с проводом), и он оказался действительно водонепроницаемым. Но при первых же заморозках обнаружилось одно интересное и неприятное свойство уличного датчика. При понижении температуры до -1 градуса он отказывается отвечать на запросы МК. Поэтому позже я сделал водонепроницаемый датчик из обычного, просто обсадив выводы и сам датчик термоусадкой, и залив его с обоих сторон герметиком. Заодно перенес его из под заднего бампера (сильно грелся от подсветки номера) под накладку на заднем треугольном стекле (там во время езды нагревается максимум на 2 градуса). После чего датчики начали работать стабильно при любой температуре. Так же при первом подключении длинного провода для датчиков, пришлось уменьшить сопротивление подтягивающего резистора с 4.7К до 1К, иначе датчики работать отказывались. Подключение выполнено витой парой.

Установлено все это дело вместо пепельницы возле ручки передач. Для этого была вырезана лицевая панель из оргстекла толщиной около 3мм. и обтянута карбоновой пленкой (по крайней мере китайцы зовут ее именно так). Т.к. поверхность в районе пепельницы имеет изгиб, то сбоку из акриловой смолы сделаны выступы и обточены по изгибу панели. Делал очень просто, сначала вырезал заготовки из картона, затем приклеил их на оргстекло и промазал стыки пластилином, после чего просто залил туда смолу и после высыхания обработал наждачной бумагой, придав окончательную форму. В итоге сверху и снизу лицевая панель плотно вставляется в паз пепельницы, а по бокам прилегает к панели. По бокам все так же обтянуто карбоном.

Внутри вся электроника закрыта родным кожухом от пепельницы. Разъемы карты памяти и Micro USB выведены под декоративную накладку ручки передач (мягкую). Датчик освещенности выведен сверху панели в решетке обдува лобового стекла, т.к. на него должен попадать уличный свет.

За бесперебойную работу часов отвечает батарейка "таблетка" на напряжение 3В. Менять еще вряд ли когда-то придется. т.к. большую часть времени схема работает от АКБ. Питается схема от DC-DC преобразователя на популярной микросхеме MC34063. Напряжение 3.3В. Потребление тока небольшое, микросхема не греется и работает без внешнего транзистора. Схема запускается даже на севшем АКБ, когда приборная панель вообще не стартует.

А теперь рассмотрим, как все это дело работает.

Пока девайс никто не трогает, он находится в режиме ожидания. Экран погашен и производится лишь опрос датчиков температуры с периодичностью раз в минуту для ведения статистики. Включить устройство можно аж двумя способами:

Первый - прикоснуться к экрану. При этом включится подсветка и будет показан главный экран. Проверка наличия датчиков температуры производится при каждом включении экрана и в случае отсутствия связи с одним из них вместо температуры отобразится N/A.

В этом режиме доступны все настройки, но получение и отображение данных с ЭБУ, естественно, не осуществляется. Если в течении 20 секунд никакие действия со стороны пользователя не осуществляются, то устройство переходит обратно в режим ожидания.

Второй - включить зажигание. В этом случае сначала будет показана заставка и воспроизведен звук включения (если звук активирован в настройках), и по прошествии 8 секунд будет произведено подключение к ЭБУ.

Такая задержка сделана не случайно. Во-первых ЭБУ после подачи питания несколько секунд шлет в линию мусор (по крайней мере мой BOSCH делает именно так), а во-вторых попытка присоединиться к ЭБУ во время или сразу после старта двигателя заканчивалась проблемами с запуском двигателя. Он либо совсем не стартовал, либо глох сразу после старта. После чего включится Главный экран. Если связь с ЭБУ установлена успешно, то отобразятся считанные данные, иначе будут отображены нули и устройство будет периодически пытаться установить соединение с ЭБУ.

Теперь рассмотрим подробнее Главный экран. Как видно, он состоит из двух зон. Первая зона предназначена для отображения различной информации в виде таблицы. Расшифруем, что там есть:

• MAIN VOLT. - напряжение в бортовой сети.
• TEMP. INT. - температура в салоне.
• TEMP. OUT. - температура за бортом.
• ENGINE TEMP. - температура двигателя.
• ENGINE RPM - обороты двигателя в минуту.
• SPEED - скорость движения км/ч.
• FUEL RATE - мгновенный расход топлива в литрах.

Все значения, кроме температуры в салоне и за бортом читаются из пакетов, выпрашиваемых у ЭБУ. Отрицательные температуры (и двигателя в том числе) отображаются синим цветом (знак минуса туда никак не помещался). Для отображения оборотов так же требуется 4 цифры, которые в отведенное место никак не помещаются. Поэтому сделано следующим образом. Когда значение меньше 1000 цвет цифр светло-голубой, если значение больше 1000, цвет изменяется на зеленый, единицы оборотов при этом не отображаются (128 = 1280-1289 об/мин), а при превышении 3500 - цвет цифр становится красным. Также изменяется цвет скорости, при достижении отметки в 130км/ч цифры краснеют. В правом верхнем углу экрана отображается время.

Во второй зоне расположены иконки состояния. Слева направо:

•  Исправность ламп, при срабатывании реле контроля ламп цвет иконки меняется на красный: 
•  Уровень охлаждающей жидкости, при срабатывании датчика цвет иконки меняется на красный: , при включении охлаждения меняется на 
•   Напоминание о замене фильтров, когда требуется замена (7000км для маслянного и 80000км для воздушного), цвет соответствующей иконки меняется на красный:  
• Управление наружным светом:  - отключено,   - только габариты,   - габариты и фары. Когда происходит включение фар или габаритов цвет иконки меняется: . При этом если нажимать с задержкой меньше 2 сек. между нажатиями, то переключение режимов осуществляется нажатием на иконку в следующем порядке: ВЫКЛ - > Габариты -> Габариты + Фары -> ВЫКЛ. Если же между нажатиями прошло больше 2сек, то меняется лишь режимы Габариты -> Габариты + Фары. Это сделано для удобства управления, когда надо выключить фары на некоторое время, а затем снова быстро включить их, например на заправке. Включение фар осуществляется по уровню освещенности, рассмотрим это чуть позже.
• Управление звуковыми оповещениями:  - ВКЛ,  - ВЫКЛ. Переключение циклическое, по нажатию на иконку.
• Настройки: ​

Часть иконок кликабельна и открывает дополнительные информационные экраны. Это: Температура за бортом, Расход топлива, Время, Индикаторы замены фильтров. При нажатии на иконку (ну или прямо на цифры, относящиеся к ней) расхода открывается экран статистики. Здесь отображаются Максимальное, Минимальное значения. Для уличной температуры он будет выглядеть так:

Здесь выводится записанная за сутки таблица температур. Обнуление происходит в 00:00. Нажатие на кнопку CANCEL возвратит нас на Главный экран.

Нажатие на Время откроет экран статистики поездки:

Здесь отображаются Время поездки (TIME OF TRAVEL), Пройденный путь за поездку (PASSED WAY), Израсходованное топливо (FUEL CONSUMED) и Расход на 100км. (FUEL PER 100KM). При этом есть 2 режима работы. Пока не нажата кнопка START, данные сбрасываются через 5 минут после остановки двигателя. Если же нажать кнопку START, то ведение статистики будет продолжено, пока не будет нажата кнопка RESET (удерживать 2 секунды), даже после выключения двигателя.

Нажатие на иконку замены фильтров откроет вот такой экран статистики:

Здесь отображается пробег с моменты замены фильтра. Удержание кнопки RESET сбрасывает показания для соответствующего фильтра и делается после каждой замены. Подсчет расстояния идет по импульсам с датчика скорости.

На этом функции Главного экрана заканчиваются. Теперь рассмотрим экран настроек, который вызывается по нажатию кнопки Настройки в правом нижнем углу экрана. Выглядит он следующим образом:

Здесь можно увидеть 6 иконок. Каждая из них открывает свой пункт настроек. Рассмотрим каждый из них подробнее.

•  - Дополнительные параметры двигателя. Нажатие открывает вот такой экран:

Тут мы видим:

• Напряжение в сети (MAIN VOLT.);
• Обороты (ENGINE RPM), цветовое обозначение такое же, как на главном экране;
• Расход воздуха (AIR FLOW);
• Датчик массового расхода воздуха (MAF SENSOR);
• Положение дроссельной заслонки (THROTTLE POSITION);
• Время впрыска (INJECT. TIME);
• Регулятор положения ХХ (REG-R IDLE);
• Напряжение на ДМРВ (очень полезные параметр, позволяет узнать исправность датчика) (MAF VOLT.).

Так же параметры можно сохранить на карту памяти нажатием кнопки SAVE, а потом проанализировать на досуге. Сохранение производится в обычный текстовый файл под названием diagnost.txt, сам файл расположен в корне карты памяти. 

•  - Ошибки. Тут отображается таблица ошибок (если они есть). Ошибки даются без расшифровки, т.е. просто в виде кода, в соответствии с документацией. Выглядит это следующим образом:

У меня ошибок нет, поэтому на экране пусто. Коды ошибок также можно сохранить на карту памяти, нажатием кнопки SAVE. Это будет текстовый файл под названием errors.txt. Помимо этого, ошибки можно сбросить, путем удерживания кнопки RESET. Довольно полезная функция, ЭБУ не всегда сбрасывает ошибки после замены неисправных датчиков. Если сброс прошел успешно, на экране появится соответствующее уведомление, после чего, ошибки будут считаны еще раз.

•  - Соединение по USB. Как было сказано выше, разобраться с работой USB на STM32 пока нет времени. Но эта функция обязательно появится в будущем. Пока же высвечивается вот такая картинка:

•  - Настройка часов. Тут все просто, обычное меню установки времени:

Установка осуществляется нажатием на цифры. То, значение, которое изменяется в данный момент, обозначено стрелкой. Выбор устанавливаемого параметра (часы/минуты) осуществляется нажатием на эти самые часы или минуты. Применение настроек по нажатию кнопки Apply.

•  - Настройка уровня освещенности для включения фар. Представляет собой вот такой экран:

Верхняя шкала показывает текущий уровень освещенности. А нижняя служит для установки уровня, при котором должны включаться фары. При этом если движение только началось, то фары включаются сразу, а в случае, если машина уже двигалась до снижения уровня освещенности ниже заданного уровня, то включение произойдет лишь через 15 секунд. Если же машина стоит на месте (завелись, греем двигатель), то фары включаться не будут. Определение начала движения происходит и по датчику скорости и по данным ЭБУ. Поэтому данная функция будет работать даже в том случае, если нет соединения с ЭБУ. Выключение происходит либо через 5 секунд после остановки двигателя, либо по нажатию на кнопку управления режимом фар на главном экране. Сохранение настроек по нажатию кнопки APPLY.

•  - Настройка яркости экрана. Тут все еще проще:

Всего одна шкала. При настройки яркости, уровень меняется сразу же, но если не нажать на кнопку APPLY, то после выхода будет возвращено предыдущее значение. После настройки, яркость дисплея будет автоматически изменяться пропорционально текущему уровню освещенности, основываясь на том уровне, который был задан пользователем.

На этом различные меню и настройки заканчиваются. остается всего несколько функций:

• Управление габаритными огнями. Если после включения двигателя машина стоит на месте, то включение произойдет через 2 минуты. Если же началось движение, или температура двигателя достигла 40 градусов или больше, включение произойдет сразу. Отключение происходит через минуту после остановки двигателя.
• Управление освещение салона. При открывании двери начинается плавное нарастание яркости лампы, которое длится около 13 секунд. Если же дверь закрыть, то яркость останется на том уровне, до которого успела дойти, пока дверь была открыта. Далее, если машина стоит, то через 10 секунд яркость начнет снижаться (скорость снижения в 2 раза ниже нарастания). Если же начато движение, то лампа будет погашена практически сразу.
• Звуковые уведомления. Всего таких уведомлений 3. Одно из них звук заставки, второе - звук уведомления включения фар/габаритов, третье - все остальное.
• Световые уведомления. Их 4. Первое - светодиод зажигается при нажатии на экран, второе - уведомление о включении/отключении фар/габаритов (2 вспышки с интервалом 0,5 сек.), третье - уведомление от тревогах (5 вспышек с интервалом 0,2сек.) и четвертое - уведомление о дежурном режиме (одна вспышка с интервалом 5 сек.). Этот вид уведомлений не отключается.

На этом текущий функционал заканчивается. Теперь рассмотрим некоторые технические аспекты работы девайса.

• Графика. Весь интерфейс представлен в виде обычных изображений в формате BMP. Цветовое пространство RGB565. Сами картинки должны быть отзеркалены по вертикали. Хранятся на карте памяти в каталоге /sys.
• Звук. Со звуком все еще проще, тут обычные WAV файлы, моно, 8 бит. Частота дискретизации особого значения не имеет, в программе предусмотрена автоподстройка. Длительность звука включения не более 6 сек, а уведомлений не более 2 сек. Хранятся на карте памяти в каталоге /sys.
• Карта памяти. Обычная Micro SD (или SD) карточка, отформатированная в FAT/FAT32. Проверял и 128Мб и 8Гб - работают. На карте хранятся как элементы интерфейса, так и все настройки девайса (/sys/settings.bin). Поэтому при каждом включении производится поиск карточки, и если ее нет, то выводится сообщение:

Для запуска, следует вставить карту и нажать на предупреждение. После чего, система начнет работу.

Калибровка дисплея. При первой подаче питания на устройство необходимо провести калибровку сенсора. Проводится она очень легко, необходимо нажать в центр перекрестий, появляющихся на экране. Всего таких точек 4.

После завершения процесса калибровки, значения сохранятся на карту памяти в файл /sys/touch.bin. Соответственно, удаление этого файла повлечет за собой повторную калибровку.

В целом интерфейс получился очень шустрый, переключения происходят мгновенно. Небольшой видеоролик в конце статьи демонстрирует его работу. Шрифты в прошивке только английские, слова короче, проще вмещать их на экране. Всего шрифтов 3, один из них только цифровой для отображения параметров, и два буквенно-символьные-цифровые. Один с большими символами, другой с маленькими.

Прошивка написана на языке Си в среде Eclipse, исходники прилагаются. Занято около 1/5 памяти МК, так что еще есть куда развиваться. Также прилагаю файлы, необходимые для работы девайса. Само устройство работает в машине больше года и вполне неплохо. Работало и летом на 40-градусной жаре и зимой при -20. Никаких проблем не выявлено. Дисплей никак не реагирует на мороз, замедления вывода не происходит. Обновления прошивки постараюсь выкладывать в комментариях. В принципе не проблема добавить поддержку нескольких протоколов общения с ЭБУ и сделать при этом их подгрузку с карты памяти (пишем в текстовый файлик команды, кидает на карточку, а далее МК уже сам с ними разбирается). Пока протестирована работа с ЭБУ BOSCH на машине 2001г выпуска. На этом у меня все.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Бортовой компьютер
• STM32
• Altium Designer
• Микроконтроллер
• Eclipse